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SIMULATION
Galaxien wie im wirklichen Universum
Redaktion / Pressemitteilung des Heidelberger Instituts für Theoretische Studien gGmbH
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8. Mai 2014

Kosmologen haben jetzt die Ergebnisse einer der bislang präzisesten Simulationen zur Entwicklung von Galaxien vorgestellt. Erstmals ist bei der Modellierung eine Mischung aus elliptischen Galaxien und Spiralgalaxien entstanden, wie wir sie aus Beobachtungen kennen. Damit sind die Resultate auch eine indirekte Bestätigung des kosmologischen Standardmodells.

Galaxien

Bilder der simulierten Population von Galaxien, die entlang der klassischen Hubble-Sequenz ("Stimmgabel"-Diagramm) für die morphologische Einteilung arrangiert sind. Bild: Illustris [Großansicht

Galaxien enthalten typischerweise einige hundert Milliarden Sterne und zeigen vielfältige Formen und Größen. Ihre Entstehungsgeschichte ist eines der größten und komplexesten Probleme in der Astrophysik. Einem internationalen Wissenschaftlerteam ist es nun gelungen, die Physik der Galaxienentstehung in einem riesigen Raumbereich mit sehr hoher Genauigkeit zu simulieren. Erstmals entstand dabei ein realistischer Mix aus elliptischen Galaxien und Spiralgalaxien.

Die Simulation kann zudem erklären, wie sich schwere Elemente in neutralem Wasserstoffgas anreichern. Außerdem sind die berechneten Galaxien im Raum so verteilt, wie es mit Teleskopen beobachtet wird. Die Datenmenge des "Illustris" genannten Projekts umfasst mehr als 200 Terabyte und erforderte die Rechenkraft von mehr als 8.000 Prozessoren für mehrere Monate. Möglich wurde die Simulation durch den am Heidelberger Institut für Theoretische Studien (HITS) entwickelten AREPO-Code für kosmische Strukturentstehung und die Supercomputer CURIE in Frankreich und SuperMUC in Deutschland. Das von den Forschern erzeugte virtuelle Universum erlaubt eine Vielzahl neuartiger Voraussagen und damit eine umfassende Prüfung der kosmologischen Theorien zur Galaxienentstehung.

Das kosmologische Standardmodell basiert auf der Hypothese, dass das Universum von unbekannten Materie- und Energieformen dominiert wird. Zwar kennen wir die wahre physikalische Natur dieser Dunklen Materie und Dunklen Energie noch nicht, dennoch kann man ihre Konsequenzen mit Supercomputern nachvollziehen.

Bisherige Simulationen des Kosmos erzeugten dabei ein kosmisches Netz aus Materieklumpen, das der Verteilung der Galaxien zumindest ähnelte. Sie konnten aber keine elliptischen und Spiralgalaxien schaffen und die eng verzahnte Entwicklung von interstellarem Gas und den Sternen auf kleinen Skalen nachvollziehen.

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In dem ambitionierten Projekt Illustris sind die Kosmologen bei diesem Problem nun ein großes Stück weiter gekommen. In der weltweit größten hydrodynamischen Simulation der Galaxienentstehung wurde eine Region mit einer Ausdehnung von etwa 350 Millionen Lichtjahren über einen Zeitraum von über 13 Milliarden Jahren verfolgt, beginnend zwölf Millionen Jahre nach dem Urknall.

Über diesen Zeitraum bilden sich aus der "Ursuppe" aus Wasserstoff, Heliumgas und Dunkler Materie mit der Zeit immer größere Verklumpungen, zusammengetrieben durch die Wirkung der Schwerkraft. Schließlich formen sich galaktische Sternsysteme, deren Wachstum durch ein komplexes Zusammenspiel von Strahlungsprozessen, hydrodynamischen Stoßwellen, turbulenten Strömungen, Sternentstehung, Supernova-Explosionen und der Energieeinspeisung wachsender superschwerer Schwarzer Löcher reguliert wird. Alle diese physikalischen Prozesse konnte das Illustris-Team in seiner neuen Supercomputer-Simulation mit dem Code AREPO berechnen.

AREPO ist ein sogenannter "moving mesh code", der das simulierte Universum nicht in ein starres Gitter einteilt, sondern bewegliche und veränderliche Gitter verwendet und so die Größen- und Masseunterschiede zwischen den einzelnen Galaxien besonders genau verarbeiten kann. Die Hauptsimulation des Projekts hat dabei mehr als 18 Milliarden Teilchen und Zellen eingesetzt und überbrückt einen dynamischen Bereich von mehr als einer Million pro Raumdimension - um ähnlich kleine Details darzustellen, müsste ein Foto eine Million Megapixel groß sein.

Der Speicherverbrauch der Illustris-Simulation von mehr als 25 Terabyte und das erzeugte Datenvolumen von mehr als 200 Terabyte setzen in der Kosmologie eine neue Rekordmarke. Diese Datenflut erlaubt es, die Entstehungsgeschichte von etwa 50.000 gut aufgelösten Galaxien im Detail zu studieren und theoretische Voraussagen für kosmische Strukturentstehung mit hoher Genauigkeit zu machen.

Die jahrelangen Vorbereitungen auf die Simulationen haben sich gelohnt: Erstmals kann das berühmte "Stimmgabel-Diagramm" der Morphologie von Galaxien, das auf Edwin Hubble zurückgeht, reproduziert werden. "Es ist bemerkenswert, dass die Anfangsbedingungen des Universums, die wir kurz nach dem Urknall beobachten, tatsächlich Galaxien von der richtigen Größe und Gestalt hervorbringen", erklärt Dr. Mark Vogelsberger vom Massachusetts Institute of Technology.

Indirekt kann das als eine Bestätigung des Standardmodells der Kosmologie angesehen werden. "Endlich können wir die alten groben Modelle der Galaxienentstehung hinter uns lassen und nicht nur die Dunkle Materie präzise berechnen", freut sich Prof. Volker Springel, Leiter der Forschungsgruppe "Theoretical Astrophysics" am HITS und Autor des AREPO-Codes, und ergänzt: "Die Ergebnisse von Illustris markieren einen Umbruch in theoretischen Studien der Galaxienentstehung."

Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler jetzt in der Wissenschaftszeitschrift Nature.

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Simulation liefert Galaxien wie im wirklichen Universum. Diskutieren Sie mit anderen Lesern im astronews.com Forum.
siehe auch
Theoretische Astrophysik: Informatiker und Astronomen Hand in Hand - 29. Oktober 2013
Kosmologie: Die Entstehungsgeschichte von 20 Millionen Galaxien - 2. Juni 2005
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Heidelberg Institute for Theoretical Studies (HITS)
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